郑万铁路奉节梅溪河双线特大桥BIM综合应用

王迎彬 李国华 王海峰

（中铁上海工程局集团建筑工程有限公司，上海 201900）

1 工程概况

1.1 项目简介

奉节梅溪河双线特大桥位于重庆市奉节县境内、长江支流梅溪河河口上游 1.5km处，是郑万铁路全线重点控制工程。桥梁全长687.8m，主桥跨度340m，矢高 74m，主拱采用钢桁劲性骨架外包钢筋混凝土结构，劲性骨架主弦管为Φ750*24mm钢管，材质为Q390D，管内灌注 C60自密实无收缩混凝土，拱圈外包C55补偿收缩混凝土。拱上11根墩柱、三联连续梁。郑州端引桥为 2×65mT构连续梁，万州端引桥为（44+72+44）m连续梁+24m简支梁。工程位置及效果图如图1所示。

1.2 工程特点和难点

桥址位置为U字形河谷地貌，自然坡度25～60°，两岸边坡陡峭，施工场地狭小；主引桥结构与既有公路、水路、缆索吊机及扣挂系统等临时设施及复杂地形之间相互交织，给工程施工造成巨大困难。

项目施工工法多、重大危险源多，方案设计复杂，整体施工组织难度大。涉及50m以上超高边坡深基坑施工，2 616m3大体积混凝土承台施工，150 t级缆索吊机设计、施工，主桥劲性钢桁拱架斜拉扣挂悬臂安装施工，拱圈外包钢筋混凝土、拱上墩、主桥连续梁等众多复杂工艺高空施工。为了更好地进行施工组织、方案设计及项目管理，本项目大力推进BIM技术在施工过程的综合应用。

图1 工程位置及效果图

2 BIM组织与应用环境

2.1 BIM应用目标

针对奉节梅溪河双线特大桥工程建设的特点和难点，应用倾斜摄影技术，实时地完成地形三维建模，生产出地形正射影像图、高程数字地形图等数字化产品，实现与其它BIM模型的融合应用；使用有限元分析技术，验证结构的强度及稳定性，通过施工过程中现场数据采集，反馈到有限元模型调整分析参数，实现现场安全施工。结合BIM模型的碰撞检查、优化设计、施工工艺模拟、施工进度模拟等功能，直观展示工程整体现状、方便完成临建布置、重难点施工方案设计优化，最终达到提高项目施工质量，提高项目安全性、经济性的目的。

2.2 实施方案

在项目投标阶段由公司BIM研究室根据招标图纸建立三维模型，模拟重点施工工艺，用于投标算量及外部交流。施工阶段，由项目部应用倾斜摄影技术、有限元分析技术与BIM技术融合应用，建立信息更加全面的BIM模型，模拟重点施工工艺，优化主体工程施工方案、临时工程设计及施工方案。生产出二维施工图纸及其他数字化三维模型。将BIM应用软件与平台软件相结合，实现施工过程管理。

建模过程中项目部遵循《建筑信息模型应用统一标准》（GB/T51212-2016）、《建筑信息模型施工应用标准》（GB/T51235-2017），并结合本项目特点进行进一步细化及延伸，形成了BIM建模标准、BIM应用标准、BIM交付标准。如图2所示。

2.3 团队组织

BIM团队由公司总工程师亲自带队，下设公司BIM研究室、项目BIM研究小组，分为土建组、钢结构组、结构检算组三个专业。两级BIM机构各专业工程师相互配合，并由外部单位提供软件技术支持，完成 BIM模型生产、管理及施工现场协调应用。

2.4 软硬件环境

图2 本项目BIM实施方案

表1 软件应用情况

项目综合应用 Bentley ContextCapture、Revit、Tekla、Midas Civil、ABAQUS等BIM应用软件及广联达BIM5D等平台软件。软件应用情况如表1所示。硬件方面采用图形工作站，大内存和高性能显卡的台式计算机，确保BIM模型生产和数据处理的效率。

3 BIM应用

3.1 BIM建模

本项目BIM建模包括特大桥桥址地形地貌、主体土建结构模型、钢结构模型以及以此衍生出的用于有限元分析的三维实体地形模型、临时结构有限元模型等。根据BIM应用相关专业和任务的需要，参照建模标准创建满足深化设计、施工过程控制精度的模型。利用倾斜摄影技术建立厘米级精度的桥址地形地貌三维模型；按照参数化建模思想建立桥梁主体钢筋混凝土结构模型、钢结构模型，方便模型修改；有限元分析模型确保与工程实体实际受力情况一致，并尽可能详细地反应出结构细节及受力特征。

3.2 BIM应用情况

（1）倾斜摄影技术的融合应用

倾斜摄影技术是近十几年发展起来的一项高新技术，该技术从不同视角采集数字影像[1]。采集到的数字影像同时记录了飞行器的空间坐标信息及飞行姿态信息，然后通过Agisoft Photoscan、Bentley Context Capture等专业软件对倾斜摄影获取的多角度影像进行加工，经过几何校正、联合平差等一系列运算得到带有高程的稠密的点云数据，抽稀后构建一张连续的TIN三角网，最后把拍摄的高分影像贴到三角网上，得到倾斜摄影模型。自动化是当代数字摄影技术最突出的特点[2]，与传统摄影测量相比，倾斜摄影不仅能够真实地反应地物情况[3]，而且无论是外业影像拍摄还是内业数据处理效率都大大提高。本项目引入倾斜摄影技术，利用1台旋翼无人机搭载摄影相机，1个工作人员花费2天时间即可完成桥址位置 1km2的现场拍摄及自动建模工作。如图3所示。

图3 倾斜摄影影像获取与处理

图4 三维空间放线

图5 倾斜摄影数字化地形图

图6 倾斜摄影模型在其他软件建模中的应用

图7 边坡地质模型

图8 边坡二级开挖位移有限元分析

利用倾斜摄影技术获得正射影像图，读取和标记图上的坐标位置，实现临建规划布置由二维平面图纸放线转变为正射投影地图放线，如图4。方案设计人员可以更直观地了解施工点的地形地貌情况，方便完成临建规划，有效组织现场施工。

通过倾斜摄影技术获得桥址各位置的坐标信息、尺寸信息，减少了大量高危险的测量工作，也为后续测量收方工作提供了详实的数据信息。如图5所示。

倾斜摄影输出的点云格式文件、网格及贴图文件格式可以与Autodesk多种BIM平台兼容，直接应用于三维场景设计。图6为倾斜摄影模型在其他软件建模中的应用。

利用倾斜摄影地形文件及桥址地质信息准确地重构三维地形实体模型，导入Abaqus软件进行有限元分析，分析超高边坡开挖过程中的结构的位移及稳定性，实现倾斜摄影技术与有限元分析技术的结合应用。如图7、图8所示。

（2）BIM三维设计与有限元分析结合应用

奉节梅溪河双线特大桥主拱劲性钢桁骨架采用缆索吊装—斜拉扣挂悬臂拼装方案施工。缆索吊系统、斜拉扣挂系统的设计和施工是项目关键环节。采用BIM三维设计与有限元分析相结合的手段进行方案设计及优化。根据工程特点和设计经验，使用Revit软件建立了三种系统基本结构形式，直观地反应系统中众多基础、塔架、缆索、扣索与桥梁主体结构的位置关系。此时建立的模型达到施工图设计模型细度，根据结构和施工顺序的不同对模型拆分，建立的比选模型（如图9所示）包含主要结构的几何尺寸、材质和工程数量信息。在保证总体工期的基础上，综合考虑地形限制、材料用量、吊机覆盖范围等因素，以主桥、引桥平行施工互不干涉为原则，最终选择 c方案用于工程施工，综合减少工期近40天。

对初选出的方案进行碰撞检查及结构细化（如图10），形成深化设计模型。此时的模型与施工图设计模型相比增加预埋件、节点板、加劲板、螺栓、预留孔洞等的位置及尺寸信息，钢构件的编号信息等非几何信息。在进行深化设计的同时，利用现有模型，对缆索吊系统不同施工工况下的结构强度及稳定性进行有限元分析；模拟 32个主拱劲性钢桁骨架节段对称安装及扣挂张拉过程，计算斜拉扣挂系统及各节段的结构强度、位移和稳定性，确保每节段张拉完成时最大竖向位移为±10mm，如图11所示。

图9 缆索吊装—斜拉扣挂系统方案模型

图10 缆索吊装-斜拉扣挂系统深化设计模型

图11 斜拉扣挂系统有限元分析

图12 钢结构加工过程中BIM应用流程

图13 施工进度模拟和资源曲线

（3）钢结构加工中的BIM技术应用

奉节梅溪河双线特大桥主拱劲性钢桁骨架具有复杂的空间曲线设计，仅仅通过二维图纸很难准确地表达各构件之间的空间位置关系，满足钢结构加工和安装施工要求。项目部利用BIM技术辅助钢结构加工，建立精细化模型，完成碰撞检查、图纸深化设计、加工制造、拼装模拟等生产关键工序，应用流程如图12所示。

（4）BIM平台软件应用—施工进度模拟及校核跟踪

将施工计划及各专业三维模型导入广联达 BIM5D平台，实现对项目进度、物资、成本等方面管理，如图13所示。通过施工进度模拟，分析计划的可行性，形象的展示现场的施工进度，更直观地显示工作面的工作情况。

通过施工模拟，提前进行工期预警，根据统计出的滞后工程量的具体内容进行人工工效分析，查看相对应的工料机安排是否合理。通过BIM技术应用，优化流水作业的人员、机械配置，保证关键路线施工的严谨性。

4 应用效果

（1）开拓方案设计思路，提高项目管理效益

多专业数字化协同设计提高综合设计效率约20%，出图效率50%以上；倾斜摄影与BIM模型的综合应用提高了方案论证决策效率，也减少了现场高危场所测量工作量；BIM软件对结构的计算优化提高了施工安全性；下料优化预计减少用钢量约1.5%，节约钢材30t；BIM辅助完成临时结构设计规划，施工组织，预计减少工期40天。

（2）提升项目管理水平

完善了企业内部的BIM应用方案和应用标准，提高了BIM应用的规范性和系统性；通过模型与信息数据的整合，将现场实际施工质量、安全、进度、成本等信息与模型关联，实现了数据安全、共享和可追溯；BIM技术的应用使现场管理前置，实现项目运作提前筹划。提高了项目的综合管理水平。

（3）培养BIM技术人才

项目部人员普遍形成了建筑信息化施工思想；团队成员掌握了相关BIM技术软硬件的应用方法，在软件集成应用、BIM全流程应用方面积累了经验。

5 总结

郑万铁路奉节梅溪河双线特大桥项目大力推行 BIM技术综合应用，覆盖方案设计到施工过程的各个阶段。

利用倾斜摄影模型的空间放样功能，与BIM模型融合，完成临建规划和施工组织规划；真实的三维场景与准确的空间位置信息提高了方案论证的效率和结果的准确性。为建设各方的交流提供了新的技术手段。

利用倾斜摄影的点云模型与地质数据，建立了三维实体地形模型，与有限元分析技术融合应用，模拟了复杂地质情况下超高边坡开挖过程边坡的位移及稳定性，为三维边坡有限元分析提供了更加准确的模型。

临时结构BIM三维设计与有限元分析技术的结合应用，形成了一套从方案比选到方案优化，再到方案实施的全流程BIM技术应用思路。大大缩短了方案设计周期，提高了施工安全性。

总结形成了钢结构精细化建模、模型深化设计、二维出图加工、拼装模拟等一体化应用流程。

BIM技术在奉节梅溪河双线特大桥项目的综合应用取得了良好的效果，积累了宝贵的经验。公司将不断推进BIM技术的综合应用研究，并在现场数据智能化采集、信息化技术与BIM技术结合应用等方面开展进一步深入研究。